基于EDGE和ZigBee的油路無線控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)*

李海濤，潘正高，張萬禮

(宿州學(xué)院，安徽宿州234000)

基于EDGE和ZigBee的油路無線控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)
*

李海濤，潘正高，張萬禮

(宿州學(xué)院，安徽宿州234000)

傳統(tǒng)人工控制石油管道的流量、流速的方式，需要投入大量人力、物力，而且管理效率不高，為了解決這一問題設(shè)計(jì)了基于無線網(wǎng)絡(luò)和無線傳輸技術(shù)的油路無線控制系統(tǒng).首先，進(jìn)行了油路無線控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì):中央控制系統(tǒng)、EDGE網(wǎng)絡(luò)發(fā)送模塊、ZigBee協(xié)調(diào)器模塊和油路控制終端模塊設(shè)計(jì).然后，進(jìn)行了油路無線控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):EDGE硬件結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)、ZigBee硬件結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)和步進(jìn)電機(jī)硬件電路圖設(shè)計(jì).最后，進(jìn)行了油路無線控制系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì):EDGE系統(tǒng)程序流程、ZigBee系統(tǒng)程序流程和系統(tǒng)整體流程方案設(shè)計(jì).基于無線通信技術(shù)的油路無線控制系統(tǒng)解決了遠(yuǎn)程油路控制的需求，促進(jìn)了無線技術(shù)在自動(dòng)化控制領(lǐng)域中的發(fā)展.

EDGE網(wǎng)絡(luò);ZigBee無線技術(shù);MSC1210模塊;JN5148模塊

傳統(tǒng)石油生產(chǎn)領(lǐng)域的管道控制系統(tǒng)采用的人工監(jiān)管、人工巡視、人工控制和人工管理的方式實(shí)現(xiàn)輸油線路管道的控制，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)可以通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)和無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程油路管道控制［1］.互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的結(jié)合，能夠提高石油輸送和石油調(diào)度的效率，降低人工勞動(dòng)成本［2］.

本文設(shè)計(jì)的基于無線通信技術(shù)的油路無線控制系統(tǒng)解決了遠(yuǎn)程油路控制的需求，促進(jìn)了無線技術(shù)在自動(dòng)化控制領(lǐng)域中的發(fā)展.

1 油路無線控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

油路無線控制系統(tǒng)主要包括了四個(gè)部分［3］:①中央控制系統(tǒng):主要由中央監(jiān)控系統(tǒng)(遠(yuǎn)程油路監(jiān)視)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù))、LCD顯示系統(tǒng)和警戒預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)成;②EDGE網(wǎng)絡(luò)發(fā)送模塊:利用2.75G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，使用的是愛立信公司的MSC1210無線模塊;③ZigBee協(xié)調(diào)器模塊:實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和短距發(fā)送，無線射頻芯片采用的是Jennic公司的JN5148;④終端控制模塊:采用的是四相集中式步進(jìn)電機(jī).

油路無線控制系統(tǒng)通過中央控制系統(tǒng)將控制命令和控制數(shù)據(jù)包發(fā)送至EDGE無線通信模塊，無線模塊將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后通過RS323串口轉(zhuǎn)發(fā)至ZigBee協(xié)調(diào)器.ZigBee射頻芯片將油路控制命令通過路由節(jié)點(diǎn)將命令數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)將命令脈沖傳送至電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)控制［4］.步進(jìn)電機(jī)可以通過旋轉(zhuǎn)閥門實(shí)現(xiàn)油路的流量控制，油路無線控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 油路無線控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 EDGE硬件結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)

EDGE無線通信模塊實(shí)現(xiàn)了中央控制系統(tǒng)與ZigBee模塊之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，中央控制中心的系統(tǒng)參數(shù)控制和警戒預(yù)警控制等命令需要通過EDGE通過RS232串口遠(yuǎn)程傳輸至ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器上進(jìn)行處理，MSC1210模塊和其外圍電路匹配完全后可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離無線數(shù)據(jù)通信［5］.EDGE無線通信模塊的硬件框圖如圖2所示.

圖2 MSC1210模塊硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 ZigBee硬件結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)

基于ZigBee技術(shù)的射頻芯片JN5148電路模塊主要包括:遠(yuǎn)程調(diào)試、供電、顯示和電機(jī)控制接口四個(gè)模塊.JN5148具備路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)程序下載、遠(yuǎn)程設(shè)備調(diào)試等功能［6］.JN5148芯片的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 JN5148芯片硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.3 步進(jìn)電機(jī)硬件電路圖

油路控制終端的速度和位置主要是利用步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號與角度位移、線性位移的開環(huán)元件，來控制電機(jī)的停止位置、電機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖數(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率［7］.油路無線控制系統(tǒng)采用了四相集中式步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)硬件電路圖如圖4所示.

圖4 四相集中式步進(jìn)電機(jī)硬件電路圖

3 油路無線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 EDGE系統(tǒng)程序流程設(shè)計(jì)

EDGE無線模塊MSC1210在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來實(shí)現(xiàn)無線信號的傳輸控制，MSC1210解決了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、中央監(jiān)控中心與 ZigBee射頻芯片之間的無線通信問題.EDGE的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制實(shí)現(xiàn)了收發(fā)信息的即時(shí)性，無需多次建立傳輸鏈接［8］.

MSC1210模塊軟件設(shè)計(jì)主要包括:系統(tǒng)模塊初始化、建立EDGE網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)通道工作、Socket連接是否正常、循環(huán)掃描、發(fā)送處理和接收處理等.MSC1210模塊主程序流程如圖5所示.

圖5 MSC1210模塊主程序流程

3.2 ZigBee系統(tǒng)程序流程設(shè)計(jì)

JN5148無線射頻芯片與 MSC1210模塊通過RS232接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并且將中央監(jiān)控中心的油路控制命令轉(zhuǎn)發(fā)至油路控制終端.JN5148無線射頻芯片軟件流程設(shè)計(jì)如圖6所示.

圖6 協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)程序流程

3.3 系統(tǒng)整體運(yùn)行方案

當(dāng)油路無線控制系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，各油路節(jié)點(diǎn)根據(jù)DHCP協(xié)議自動(dòng)獲取IP地址，并且將IP地址發(fā)送至Zigbee協(xié)調(diào)器，以供消息互通實(shí)現(xiàn)三層數(shù)據(jù)包傳送路由功能.當(dāng)網(wǎng)絡(luò)油路節(jié)點(diǎn)處于穩(wěn)定無更新狀態(tài)后，Zigbee默認(rèn)傳輸節(jié)點(diǎn)鏈路建立完成，自動(dòng)將油路節(jié)點(diǎn)IP地址表通過RS323節(jié)點(diǎn)傳送給EDGE模塊，EDGE地址備份之后自動(dòng)將IP地址表通過RS323口發(fā)送給中央監(jiān)控中心進(jìn)一步存儲.

油路無線控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸采用TCP/IP協(xié)議完成，EDGE通過RS323將控制信息傳送至Zigbee處理器上，Zigbee處理器將數(shù)據(jù)經(jīng)過地址解析，傳送至各油路節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)中央監(jiān)控中心的參數(shù)調(diào)整、油路流速和油路流量的遠(yuǎn)程無線控制.

4 結(jié)語

基于無線網(wǎng)絡(luò)和無線傳輸技術(shù)的油路無線控制系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)人工控制石油管道的流量、流速的方式，需要大量人力、物力，管理效率不高的問題.本文完成了油路無線控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，給出了油路無線控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和油路無線控制系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì).基于無線通信技術(shù)的油路無線控制系統(tǒng)促進(jìn)了無線技術(shù)在自動(dòng)化控制領(lǐng)域中的發(fā)展，解決了遠(yuǎn)程油路控制的問題.

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(責(zé)任編輯:王前)

TP39

A

1008－7974(2016)06－0020－03

10.13877/j.cnki.cn22－1284.2016.12.006

2016－05－25

安徽省優(yōu)秀青年人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(gxfxZD2016256);安徽省高等教育質(zhì)量工程項(xiàng)目(2014mooc056，2015ckjh102);宿州學(xué)院優(yōu)秀青年人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(2014XQNRL007)

李海濤，男，安徽宿州人，教師.